Liebe Kollegen, für ein empfindliches Messgerät (Ladungsempfindlicher Vorverstärker) habe ich die Spannungsversorgung mit zwei (1x für Analogteil, 1 x Digitalteil) 2 Watt DC/DC Wandlern Traco TDR2-WI gebaut. Unmittelbar an den Ein- sowie Ausgängen der DC/DC Wandler sind PI CLC Filter 10µF - 2,2µH - 25µF - siehe Anhang. Weiter geht die Spannungsversorgung an Low-Nosie LDOs, aber die sind für die Diskussion nicht wichtig. Mit einem Diferentialtastkopf messe/sehe ich an dem letzten Kondensator (C15/C16/C17)keine Umschaltspitzen des Wandlers, d.h. die PI-Filter sind richtig ausgelegt. Jedoch um die Platine Herum messe ich mit einer kleinen Spule am Tastkopf die scharfen Umschaltspitzen im 500 kHz-Takt. Diese induzieren sich in alle Leiterbahnen und sickern auch an den Eingang des Messgeräts :-( Anscheinend habe ich die Masseführung um die DC/DC Wandler nicht richtig geroutet. Daher meine Fragen dazu: 1. Die beiden Kondensatoren des PI-Filters am Wandler-Ausgang (z.B. C7+C8) werden nicht mit der Massefläche verbunden, sondern über eigene Leiterbahn mit der Ausgangsmasse des Wandlers verbunden, oder? Damit leite ich die Spitzen zurück direkt in den Wandler. 2. Wird dann die Massefläche an den Ausgangspin des DC/DC Wandlers angeschlossen, oder eher dort, wo der letzte Kondensator des PI-Filters Masse hat? 3. Massefläche unter dem DC/DC Wandler: Auf der Platine habe ich 3 Masseflächen: Eine mit Masse der Eingangs-Spannungsversorgung verbunden - die erstreckt sich bis unter die Eingangsseite der Wandler, und zwei (1x dig. + 1 x analog) im Moment mit den Ausgangsmassen der beiden DC/DC Wandler verbunden. Die Analog und Digitalmasseflächen verbinde ich unter dem Analog/Digitalwandler mit einer 4,7 µH Spule. Was sonst soll ich beim Routen der Massen an den DC/DC Wandlern berücksichtigen? Komischerweise sind die Umschaltspitzen der beiden DC/DC synchron. Liegt da ein Denkfehler vor? Der Prozessortakt kann es nicht sein, der AD-Wandler auch nicht :-( Tipps? Danke für eure Hilfe Karel
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1. ja. 2. die zweite Möglichkeit. 3. GNDA/GNDD wird eher im Sternpunkt zwischen analoger und digitaler Signalverarbeitung direkt verbunden. Die Induktivität könnte eine unabsichtliche Einstreuung von Signalen in deine Analogtechnik bewirken. Sind C11/C12 sinnvoll? Da bin ich mir unsicher. Das hängt von der restlichen Schaltung ab. -- Vielleicht synchronisieren sich deine beiden Schaltregler "unabsichtlich" entweder über Streufelder oder über Spitzen in der Versorgung. Immerhin hast du so den Vorteil, daß keine Schwebung entsteht.
Die Wandler können auch direkt magnetisch abstrahlen. Auch die Induktivitäten können Störungen abgeben. Da hilf ggf. eine mehr oder weniger Geschlossene Abschirmung um den Wandler. Die beiden Masse hinter den Wandlern sollte man an einer Stelle verbinden - das könnte etwa der ADC sein. Es kann aber auch eine gemeinsame Massefläche sein. Die Verbindung per Spule macht eher wenig Sinn. Die Massefläche am Ausgang kommt an die Kondensatoren am Ausgang des Filters, nicht direkt an den Wandler. Auch mit den Kondensatoren C11 und C12 muss man vorsichtig sein. Beide zusammen sind eher kontraproduktiv - eher nur einer und der Punkt auf der Eingangsseite muss sehr gut gewählt sein.
Liebe Kollegen, danke für eure Tipps! 1. & 2. sind jetzt schon geklärt. zu 3.: wie soll ich die Masseflächen unter den DC/DC Wandlern routen? Wenn ich die Ausgangsmasse als Fläche unter den Wandlern habe, induziert sich magnetisch in die Massefläche HF störung, stimmt? Dann lieber die Eingangsmasse unter die Wandler? Oder gar keine Massefläche? Die Kondensatoren C11/C12 leiten den HF-Müll zurück in die Versorgungsmasse ab. Die Kondensatoren stammen aus der AppNote von Traco. Bin aber dennoch für weitere Vorschläge dankbar! Grüße Karel
Falls die Messung empfindlich ist, wuerde ich auch gleich Linearregler einplanen. Per Jumper waehlbar. Falls es denn nicht geht mit dem Traco.
Karel Marsalek schrieb: > Weiter geht die Spannungsversorgung an > Low-Nosie LDOs Hallo, die Linearregler sind schon auf der jetzigen Platine, sogar per Jumper wählbar ;-) Aber die steilen Spitzen können sie nicht wegbügeln, dafür sind die Regler zu langsam. Die Spitzen kommen wohl vom schlechten Layout. Grüße K.
Ein Linearregler kann die Spitzen nie wegmachen. Schau dir mal die Frequenzkomponenten an. Es ist nicht der Dreiech, der durchkommt. Sondern die Spitze. Die ist von 50MHz aufwaerts. Wie ist die PSRR bei dieser Frequenz ? Genau. Null. Wenn diese Spizen stoeren ... sollte man entweder einen lownoise Switcher verbauen, einen lownoise Switcher designen, oder gleich mit Linear beginnen. Ja, Das layout ist auch wichtig.
Wenn alles nix hilft, kann der empfindliche Schaltungsteil in eine kleine Dose. Damit lassen sich Störungen dämpfen, die nit leitungsgebunden ankommen. Die Dosen gibts auch zum Auflöten auf die Platine.
Viel Text und bisher habe ich kein Layout gesehen - Wie siehts wirklich aus?
Helge A. schrieb: > Wenn alles nix hilft, kann der empfindliche Schaltungsteil in eine > kleine Dose. Damit lassen sich Störungen dämpfen, die nit > leitungsgebunden ankommen. Die Dosen gibts auch zum Auflöten auf die > Platine. Hallo Helge, für ein anderes Projekt bräuchte ich diese Dosen. Wo kann man sie kaufen? Wie heissen sie auf deutsch? Sind sie aus Weissblech? Vielen Dank für den Tipp! Karel
C11 und C12 sammeln je nach Layout auch viel HF-Müll von den Wandlern. Vor allen wenn die auf der Eingangsseite nicht direkt zusammen an einem Punkt sitzen hat man damit Störungen zwischen den beiden Massen auf der Ausgangsseite. Wenn überhaupt sollte nur einer der Kondensatoren dran sein und da ist der Anschlusspunkt sehr wichtig, denn damit wird das Gleichtaktsignal festgelegt. So wie im Plan direkt am Eingang des Wandlers ist eine recht schlechte Position. Ein Linearregler selber hat für die hohen Frequenzen nicht viel PSRR, aber zusammen mit dem Ausgangskondensator des Reglers ist das PSRR ggf. gar nicht so schlecht, auch wenn das Regler IC nur wie ein Widerstand wirkt. Bei manchen der Wandler hat man auch störende Gleichtaktstörungen (gegen die ggf. C11,C12 wirken sollen), dann lohnt ggf. auch eine Drossel am Masse Anschluss des Wandlers.
Die Dosen werden unter anderen auch als "Abschirmgehäuse" verkauft. http://katalog.we-online.de/de/pbs/WE-SHC
Gibts zum Beispiel bei http://hollandshielding.com/Products-22-PCB%20shielding , ich kenn die Dinger unter EMI shield, EMI can, Abschirmgehäuse. Manche Versender haben bzw. hatten ein paar im Programm.
Das Gesamtkonzept ist Murks. Du schaffst mit C11, C12, L6 und anderen parasitären Induktivitäten und Streukapazitäten ungewollte Resonanzkreise, in die die Switcher ordentlich "Dampf" reinblasen. Dadurch werden die Massen verseucht, noch bevor die Versorgungsspannungen die Schaltung erreichen. Das dürften auch die Störungen sein, die du im Oszi siehst, eine wild schwingende Masseführung. C11 und C12 für sich alleine sind schon in Ordnung um die Gleichtaktstörungen am Ausgang zum Eingang zurückzuführen, wenn denn Eingang und Ausgang galvanisch getrennt sein sollen. Hier sollten die Verbindungen äußerst kurz sein. Parallelschaltung von mehreren identischen Caps können unerwünschte Induktivitäten weiter reduzieren. Jeder Millimemter zählt. Am besten wählst du zwei Masseflächen, eine für die Eingangsmassen und eine für die Ausgangsmassen und führst beide Masseflächen unter den Switchern nahe zusammen. Dann verbindest du sie über C11 und C12 mit kürzesten Verbindungen. Die beiden Switcher müssen dazu natürlich auch direkt nebeneindander liegen. Die Pi-Filter referenzierst du auch auf die Masseflächen, legst den jeweiligen Massepunkt aber zusätzlich noch möglichst direkt an den jeweiligen Massepin der Switcher. Beide Eingangsmassen hängen an der gemeinsamen Eingangsmassefläche und beide Ausgangsmassen an der gemeinsamen Ausgangsmassefläche. Damit ist das Optimum erreicht, denn eine bessere Masseverbindung als die Verwendung einer Massefläche wirst du nicht finden. Switcher gelten als HF-Bauteile und profitieren vom Konzept der "radio frequency plane". Das Trennen von digitaler Masse und analoger Masse (auf der Ausgangseite) gilt heute als überholt. Diese beiden Massen sehen sich sowieso über parasitäre Wege und lassen sich nicht wirklich trennen. Viel wichtiger ist, die Masserückströme in der Anwendung unter Kontrolle zu bekommen. Also räumliche Trennung von analogen und digitalen Masseströmen in der gemischt analog/digitalen Schaltung und konsequente Verdrosselung aller Versorgungsleitungen, analoger wie digitaler.
Liebe Kollegen, vielen Dank für eure konstruktiven Beiträge! Die PCB-Abschirmgehäusen von Würth habe ich auch bei Farnell gefunden: http://de.farnell.com/webapp/wcs/stores/servlet/Search?catalogId=15001&langId=-3&storeId=10161&st=abschirmgeh%C3%A4use&pageSize=25&showResults=true An Kai: C11 & C12 verstanden, direkt unter die Switcher, sie verbinden die IN/OUT Masseflächen. PI-Filter: kurze Leiterbahnen zu den Switcher-Masse Pins. Kai Klaas schrieb: > konsequente > Verdrosselung aller Versorgungsleitungen, analoger wie digitaler Heisst es nicht nur ein 10µ Kerko + 100nF Kerko an "jeden IC", sondern davor noch eine Ferritperle wie z.B. BLM21AG102SN1 (1 kOhm bei 100 MHz)? Muss man dabei im Layout den Massepin des jeweiligen ICs (und ggf. die Last) direkt (nicht über Groundplane) mit der Masse des Pufferkondensators verbinden? Grüße Karel
>C11 & C12 verstanden, direkt unter die Switcher, sie verbinden die >IN/OUT Masseflächen. Genau. >PI-Filter: kurze Leiterbahnen zu den Switcher-Masse Pins. Vergiß das Wort "Leiterbahn" im Zusammenhang mit Masseverbindungen. Die Bauteile gehen immer direkt auf die Massefläche, mit Wärmefallen natürlich. Die Pi-Filter werden eben in unmittelbarer Nähe der Switcher angeordnet und die Masserückströme sollen möglichst kurze Strecken zurücklegen zum jeweiligen Massepin. Aber das entlang, bzw. innerhalb einer Massefläche und nicht über eine Leiterbahn. >Heisst es nicht nur ein 10µ Kerko + 100nF Kerko an "jeden IC", sondern >davor noch eine Ferritperle wie z.B. BLM21AG102SN1 (1 kOhm bei 100 MHz)? Ja, an jedem Chip sitzt ein PI-Filter in der Versorgungsspannung. Das hat mir geholfen 50nV große Signale in einer schnellen, gemischt analog/digitalen Schaltung zu verarbeiten. Als Ferrit nehme ich diese hier, wenn es 0805 sein soll: http://katalog.we-online.de/pbs/datasheet/742792040.pdf Aber bitte keine Parallelschaltung von unterschiedlichen Caps verwenden, wenn da kein ausreichendes ESR (wie in Elkos) vorhanden ist um Resonanzen zu bedämpfen. Ein einzelner keramischer 10µF/X7R/0805 Highcap ist völlig ausreichend zur Entkopplung. Er hat beides, hohe Kapazität und niedrige Induktivität. Da braucht es kein Paralleleschalten, wie man es in der Vergangenheit machen mußte. Wenn du denn unbedingt etwas parallelschalten willst, dann nimm zwei gleiche Caps. Das gilt auch und erst Recht für dein Pi-Filter. >Muss man dabei im Layout den Massepin des jeweiligen ICs (und ggf. die >Last) direkt (nicht über Groundplane) mit der Masse des >Pufferkondensators verbinden? Die durchgehende Massefläche ist die beste Masseverbindung, die du erreichen kannst. Deswegen werden die Entkoppelcaps am besten direkt am Versogungsspannungspin angeschlossen und der Masseanschluß geht dann direkt auf die Massefläche, an dem auch der Massepin des Chips angeschlossen ist. Zwsichen den beiden Massepins gibts es dann zwar einen Abstand, aber dort hast du dafür auch die niederohmige und niederinduktive Massefläche. Besser geht es einfach physikalisch nicht. Bei LC-Filtern muß man immer auch die Resonanzen im Auge behalten, wenn ein ausreichendes ESR fehlt. Über den Daumen sind rund SQRT(2L/C) nötig um eine Resonanz zu unterdrücken. Bei 4,7µH und 25µF wären das rund 0,6R. Es kann also sinnvoll sein, der Drossel einen kleinen Widerstand in Serie zu schalten. Alternativ könnte man für den 25µ Cap auch einen Elko nehmen. Diesem muß dann natürlich noch ein guter Kerko parallelgeschaltet werden. Für die Drossel im Pi-Filter bei den Switchern kann man auch einen 5-Loch-Ferrit verwenden. Die haben überagende Dämpfungseigenschaften, weil die Wicklungskapazität fast völlig fehlt.
Lieber Kai, danke für Deine nette Hilfe und für den Tipp auf die Ferritperlen! Die 5-Loch Ferrite Würth SUKW kenne ich aus einem anderen Thread hier :-). Kai Klaas schrieb: >>PI-Filter: kurze Leiterbahnen zu den Switcher-Masse Pins. > > Vergiß das Wort "Leiterbahn" im Zusammenhang mit Masseverbindungen. Die > Bauteile gehen immer direkt auf die Massefläche, mit Wärmefallen > natürlich. Die Pi-Filter werden eben in unmittelbarer Nähe der Switcher > angeordnet und die Masserückströme sollen möglichst kurze Strecken > zurücklegen zum jeweiligen Massepin. Aber das entlang, bzw. innerhalb > einer Massefläche und nicht über eine Leiterbahn. Ich verstehe, was Du meinst. Die Kondensatoren sollen auf die Massefläche :-) ABER: Wenn die Masserückströme der Kondensatoren im PI Filter über die Massefläche sausen, wird die Massefläche als ganze gestört. Wenn ich diese zwei Kondensatoren über eigene (kurzeste) Leiterbahnen an den GND-Pin des Switchers anschliesse, bleibt die Massefläche doch sauberer? Was meinst Du, wäre es so nicht sauberer? Für den PI-Filter vor "jedem IC" in der Schaltung: Passt dann 10µ/0805/X7R + der 600 Ohm Würth Ferrit + nochmal 10µ X7R? Die 600 Ohm Würth WE-CBF Ferrite haben 0.15 Ohm Serienwiderstand und ungefähr 1,6 µH (10 Ohm bei 1 MHz), das würde bei z.B. 10 µF Kondensator SQRT(2*1,6/10) = 0,57 Ohm zur Dämpfung zusätzlich benötigen. Stimmt? Nochmal vielen Dank für die Diskussion! Karel
>Ich verstehe, was Du meinst. Die Kondensatoren sollen auf die >Massefläche :-) ABER: Wenn die Masserückströme der Kondensatoren im PI >Filter über die Massefläche sausen, wird die Massefläche als ganze >gestört. Wenn ich diese zwei Kondensatoren über eigene (kurzeste) >Leiterbahnen an den GND-Pin des Switchers anschliesse, bleibt die >Massefläche doch sauberer? Was meinst Du, wäre es so nicht sauberer? Masseleiterbahnen sind immer Scheisse, weil sie die Induktivität im Vergleich zur durchgehenden Massefläche drastisch vergrößern. Was nützt dir die 1nH ESL der SMD-Caps, wenn dann nochmal 5nH von der Masseleiterbahn dazukommen? Das ruiniert dir die Dämpfung. Die Versorgungsspannung ist jetzt unzureichend gefiltert und wird auf dem Weg bis zur Schaltung wieder strahlen. Außerdem: Dort wo du Platz schaffen mußt für die Masseleiterbahnen geht das auf Kosten der Massefläche. Sie ist dort unterbrochen und zerstückelt und verliert ihre überragenden Eigenschaften. Das machst du noch zwei drei Mal und dann kannst du die Massefläche auch gleich ganz weglassen. Klar kommen auf der durchgehenden Masefläche auch Spannungsabfälle zustande. Aber dich interessiert ja nicht das Massepotential direkt am Switcher, sondern in deiner analog/digitalen Schaltung. Von den Masseströmen im Pi-Filter bei den Switchern ist dort nichts mehr zu sehen. Aber eine verschlechterte Siebung der Versorgungsspannungen würdest du feststellen. >Für den PI-Filter vor "jedem IC" in der Schaltung: Passt dann >10µ/0805/X7R + der 600 Ohm Würth Ferrit + nochmal 10µ X7R? Die 600 Ohm >Würth WE-CBF Ferrite haben 0.15 Ohm Serienwiderstand und ungefähr 1,6 µH >(10 Ohm bei 1 MHz), das würde bei z.B. 10 µF Kondensator SQRT(2*1,6/10) >= 0,57 Ohm zur Dämpfung zusätzlich benötigen. Stimmt? Ja, das kommt hin. Ich nehme grundsätzlich 2R2...4R7 in den lokalen Pi-Filtern, weil ich auch noch bei niedrigeren Frequenzen Dämpfung haben möchte. Wie gesagt, diese lokalen Pi-Filter sind wirklich nur in kritischen analog/digitalen Schaltungen notwendig, wenn du beispielsweise mehrere ADCs oder DACs hast und ein einzelner, zentraler Verbindungspunkt von analoger und digitaler Masse direkt bei einem ADC bzw. DAC garnicht möglich ist.
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